Горелка реактора для производства синтез-газа

 

Использование: для производства синтез-газа . Сущность изобретения: сопловая горелка выполнена в виде массивного блока , а каналы подачи топлива и окислителя - в виде групп сопел, проникающих на различную глубину этого блока, один из узлов подачи агента выполнен в виде поперечного прохода в блоке, сообщенного с задними отверстиями соответствующей группы сопел , расположенными в блоке на одинаковой глубине. 7 з.п. ф-лы, 14 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4614032/06 (22) 28.04,89 (46) 15.07.93. Бюл. ¹ 26 (31) 8805960 (32) 02.05.88 (33) Fr (71) Энститю Франса дю Петроль (Fr) (72) Поль Гата, Мишель Мот и Ален Фежье (Fr) (56) Патент ФРГ ¹ 2253385, кл, С 01 В 3/36, 1985.

Изобретение относится к горелке для химического реактора, в частности для производства синтетического газа, Эта горелка позволяет раздельно подавать в реакционную зону несколько агентов.

Горелка согласно настоящему изобретению может использоваться, в частности, в способе частичного окисления углеводов, пламенным способом, и может предназначаться для производства синтетического газа. Отметим, что способы этого типа уже применяются фирмами Тексако, Шелл...

Под синтетическим газом здесь понимается смесь Н2, СО, а также МЯСО, водяной пар.

Предназначенный для этого реактор состоит из горелки и камеры сгорания. Устройство для закалки (Quench) газов может также являться составной частью реактора.

После сгорания в реактор можно помещать также футеровку, катализатор и т.д.

Горелка согласно настоящему изобретению может питаться газообразным, жидким или твердым топливом в суспензии и окислителем, воздухом, кислородом или обогащенным воздухом. К окислителю или, „„5U„„1828449 А3 (si)s С 01 В 3/36, F 23 D 14/20 (54) ГОРЕЛКА РЕАКТОРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СИНТЕЗ-ГАЗА (57) Использование: для производства синтез-газа, Сущность изобретения; сопловая горелка выполнена в виде массивного блока, а каналы подачи топлива и окислителя— в виде групп сопел, проникающих на различную глубину этого блока, один из узлов подачи агента выполнен в виде поперечного прохода в блоке, сообщенного с задними отверстиями соответствующей группы сопел, расположенными в блоке на одинаковой глубине. 7 з,п. ф-лы, 14 ил. в более общем плане, к топливу может подаваться водяной пар в переменной пропорции. Вводимые газы могут, в большей или меньшей степени, предварительно нагреваться. Предварительный нагрев повышает производительность реактора.

В качестве примера для операций под давлением, оптимальная производительность достигается с природным газом, воздухом и водяным паром в соотношении

02/С, составляющем 0.60 — 0,65. При предварительном нагреве, превышающем

500 С, соотношение Н20/С порядка 0,05—

3 оказывает небольшое влия ние Оно является оптимальнь M ближе к 1. Водяной пар сокращает образование сажи.

Для частичного применения соотношение Oz/С может составлять мене 0,6 и более

0,65 (например, до 1).

Современные способы осу . ествляют под давлением, которое может достигать 80 бар.

В основном сгорание является адиабатическим.

1828449

СхНу+ х/2 02 х СО+ у/1Н2

30 > Г

Оно должно происходить по теоретической реакции: не всегда сопровождается образованием COz и Н20 в переменных пропорциях, Вследствие этого, можно, локально, превышать температуры адиабатического равновесия. Так, например, с чистым кислородом можно, локально, встретить температуры, значительно превышающие 1500 С.

Предложенные горелки в основном являются трубчатыми или более сложными.

Самая простая технология представлена 2 концентрическими трубами, В этом случае трубы имеюг размеры (несколько десятков мм), значительно превышающие глубины фронта пламени. В этом случае необходимо обеспечить значительную выдержку по времени (порядка секунды и более) для достижения термодинамического равновесия.

B этом случае реактор имеет зоны бо,ьшой неоднородности с рециркуляцией газоь при сгорании.

Множество труб обеспечило бы лучшу.о однородность, но число труб остается ограниченным для промышленного применения, Кроме того, остается затрудненным промыLiJленное выполнение керамических труб, Металлические трубы принимают -:î"ë÷ки зон рециркуляции горячих газов, что влияет на их стойкость, если нет охлаждения.

В настоящем изобретений предлагается горелка с соплами, что исключает зти недостатки.

Горелка содер>кит сопла, выполненные на разных уровнях в зависимости От вида агента, подле>кащего введению.

Горелка может быть выполнена в виде единой детали или в виде наслоения или наложения нескольких элементов, Эти элементы могут быть металлическими, керамическими или могут выполняться из любого другого огнеупорного материала.

Кроме того, настоящее изобретение позволяет легко выполнять большое число сопел, s то время как применение труб (в сравнимом количестве) представляется затрудненным, Настоящее изобретение позволяет получать горелку большого размера. Оно позволяет также, без осложнений, подавать в реакционную зону более 2 агентов через сопловую головку горелки.

Это придает гибкость дополнительного регулирования в случае синтетического га e за, но может также применяться для других целей: например, поступление топлива и окислителя через 2 типа отверстий для лучшего управления формой, видом или составом пламени, Таким образом, настоящее изобретение позволяет подавать третий продукт через отверстия третьего типа, причем этот третий продукт может предназначаться для вступления в реакцию в пламени.

Настоящее изобретение позволяет легко поддер>кивать теплонепроницаемость горелки.

Кроме того, горелка согласно настоящему изобретению является легкой для обработки, когда она состоит из нескольких блоков, а ее элементы из керамических материалов обладают хорошей стойкостью к повышенной температуре.

Горелка, согласно изобретению, может использоваться для непосредственного предварительного нагрева агентов.

Горелка согласно изобретению может легко охлаждаться в случае наличия металлических деталей.

Горелка согласно изобретению отлично подходит для производства синтетического газа из кислорода и метана.

Горелка, согласно настоящему изобретению. может, преимущественно. применяться в способе и в устройс гве, описанных в европейской заявке на патент ¹ 874029291, поданной 18 декабря 1987 r.

Таким образом, настоящее изобретение относится к горелке реактора, предназначеннОГО для пооизводства синтеTi1÷eñêÎÃÎ газа, позволяющей раздельно подавать в реакционную зону по меньшей мере два агента: один, слу>кагций в качег.тве топлива и другой, слу кащий в качестве, о;;,слителя.

Эта горелка отличается тем, что она содержит массивный блок, в котором заключены сопла, проникающие на различную глубину, причем один из концов этих сопел входит в реактор, а другой конец вxîäèò либо в узел подачи топлива, либо в узел подачи окислителя в зависимости От агента, подаваемого через заданное сопло.

По меньшей мере одно из всех сопел, служащее для подачи одного и того ><е агента, может входить на одну и Гу же глубину в соответствующий узел подачи, Однб из средств подачи может содержать камеру, частично ограниченную с одной из сторон тыльным срезом блока.

Один из узлов подачи может содержать группу сопел, соединяющих между собой через массивный блок по меньшей мере некоторые отверстия, служащие для подачи одного и того же агента.

1828449

Группа сопел может содержать проходы, которые сообщаются между собой вблизи центральной части массивного блока.

Массивный блок может содержать несколько наложенных друг на друга частей.

По меньшей мере один из блоков может содержать канавки или проходы, служащие для питания по меньшей мере некоторых сопел подачи агентов, Массивный блок может содержать схему циркуляции теплоносителя или охлаждающей жидкости, По меньшей мере некоторые из сопел могут выполняться путем просверливания.

Горелка может содержать керамический материал.

На фиг.1 схематически изображена горелка, раздельно подающая два агента в реакционную зону; на фиг.2 — относится к случаю подачи трех агентов; на фиг.3 схематически иллюстрируется случай, когда горелка подает в реакционную зону два агента и когда она содержит схему циркуляции охлаждающей жидкости; на фиг.4 и 5— случай горелки, содержащей по меньшей мере две части блока и канавки; на фиг.6, 7 и 8 — случай горелки, содержащей по меньшей мере две части блока, соединенные с помощью контактов; на фиг,9, 10, 11 и 12— горелка, содержащая три части блока, позволяющая подавать в реакционную зону три раз н ых агента; фиг.13 илл юстри рует многоблочную горелку, позволяющую подавать в реакционную зону три агента; на фиг,14 — моноблочная горелка с относительно простым выполнением.

Позицией 1 обозначается горелка во всей своей совокупности. Эта горелка содержит гнездо 2, в котором размещается сопловая головка в виде массивного блока

3 с каналами подачи топлива и окислителя — в виде групп сопел, проникающих на различную глубину блока 3. Массивный блок 3 содержит сопла 4 для подачи первого агента и сопла 5 для подачи второго агента. Эти сопла

4, 5 подают газы в реакционную зону 10, В случае, показанном на фиг.1, гнездо

2 содержит, в своей нижней части усеченную форму 6, которая ограничивает, вместе с массивным блоком 3, камеру 7, которая служит узлом подачи первого агента в сопла 4. Трубопровод 8 подает первый агент в камеру 7, Камера 7 может иметь другие формы, отличные от формы усеченного конуса.

В случае, показанном на фиг.1, массивный блок 3 покоится на упоре 9, который может быть образован, по-прежнему в случае, показанном на фиг.1, верхней периферийной зоной камеры 7 в форме усеченного конуса, Сопла 4 первого агента насквозь пересекают массивный блок 3, позволяя, таким образом, осуществлять передачу агента между камерой 7 в форме усеченного конуса

5 и реакционной зоной 10.

Сопла 5 подачи второго агента проходят от реакционной зоны 10 к промежуточному уровню 11.

В случае, показанном на фиг,1, группа

10 сопел 5 расположена в блоке 3 на одинаковой глубине.

Эти сопла 5 сообщаются между собой посредством каналов или поперечных проходов 12.

15 Разумеется, эти поперечные проходы

12 не пересекают сопла 4 подачи первого агента.

В случае, показанном на фиг.1, поперечные проходы 12 сообщаются с камерой

20 13, которая может быть кольцевой. в частности, в случае, когда гнездо 2 имеет, преимущественно, цилиндрическую форму, В камеру 13 подается второй агент через трубопровод 14.

Герметичность между схемой подачи первого агента и схемой подачи второго агента может обеспечиваться точностью при сборке массивного блока 3 в гнезде 2 или путем использования прокладок герме30 тичности, или даже путем сварки.

На фиг.2 представлен другой пример, который отличается от предыдущего примера тем, что он содержит сопла 15 подачи третьего агента.

35 Сопла 15 питаются камерой 17 такого же типа, что и камера 13, но расположенной на другом уровне.

Сопла 15 останавливаются на промежуточном уровне 16, отличном ат уровня 11

40 промежуточной камеры 13.

Эта камера 17 сообщается с соплами 15 посредством каналов или поперечных проходов 18.

Разумеется, схемы первого. второго и

45 третьего агента не пересекаются, но выходят все три в реакционную зону 10.

Позицией 19 обозначается трубопровод питания третьим агентом камеры 17.

Как уже указывалось, герметичность меж50 ду различными схемами может обеспечиваться либо посредством точной установки блока.

3 в гнезде 2, либо путем использования прокладок, или даже посредСтвом сварки.

55 Позицией 20 обозначается удерживающлй фланец массивного блока 3.

Фиг.3 относится к горелке, которая отличается от примера, соответствующего фигуре 1, наличием схемы охлаждения.

1828449

На фиг.1, 2 и 3 идентичные части обозначены одними и теми же позициями.

Каналы 21 являются поперечными проходами, которые не сообщаются с реакционной зоной 10, Эти каналы служатдля циркуляциитеплоносителя или охлаждающей жидкости.

Эта циркуляция позволяет охлаждать или подогревать массивный блок 3, Эти каналы 21 питаются теплоносителем от трубопровода 22. Трубопровод 23 обозначает трубопровод отвода теплоносителя, циркулирующего s каналах 21, Каналы 21 для теплоносителя могут питаться одной камерой питания и освобождаться другой камерой, причем эти две камеры являются различными и. таким образом, действительно, имеет место циркуляции теплоносителя в массивном блоке 3, Разумеется, схема теплоносителя не сообщается с другими схемами циркуляции агента.

Массивный блок 3 может быть выполнен путем использования только одной части или в виде наложенных друг на,цруга частей, В случае, когда массивный блок 3 выполнен с использованием только одной части сопла подачи различных агентов, а также отверстия или поперечные проходы могут быть выполнены путем просверливания.

Фигура 5 иллюстрирует случай, когда массивный блок 3 состоит из двух наложенных частей 24 и 25.

Фигура 4 является частичным видом сверху фигуры 5, которая, сама по себе, является частичным разрезом А-А на фигуре 4.

Сопла 26 служат для подачи первого агента в реакционную зону, а сопла 27 служат для подачи второго агента в эту же самую зону, Верхняя часть 24 блока 3 содержит сопла 27, проходящие по всей ее длине,и сопла 26 только на части ее длины, в Tî время как нижняя часть 25 блока 3 содержит только часть длины сопел 26.

Таким образом, в этом способе выполнения (фигуры 4 и 5), при сборке частей 24 и

25 сопла 26 проходят по всей их длине. Разумеется, сборка частей 24 и 25 должна осуществляться таким образом, чтобы было соответствие между участками сопел 26, содержащихся в верхней части 24, и участками этих же самых сопел, содержащихся в нижней части 25, Канавки или проходы 28 выполняются в верхней части 24 на уровне его поверхности опоры 29 с нижней частью 25.

В случае, показанном на фигурах 4 и 5, эти проходы являются перпендикулярными между собой и позволяют осуществить сообщение между различными соплами 27 подачи второго агента.

Разумеется, форма прохоцов и их расположение могут быть отличными От формы и расположения, показанных на фигурах 4 и

5, как только они позволяют питать различные сопла подачи второго агента от узла питания.

Проходы 28 предусматриваются таким образом, чтобы не проникать в сопла 26 подачи первого агента. Таким образом, сопла 25 охвачены достаточной толщиной материала 29.

Разумеется, не считается выходом за рамки настоящего изобретения, если проходы выполняются на нижней час и или частично на двух частях блока 3, На фиг,б, 7 показан дpyI оА способ выполнения.

Позицией 30 обозначаются сопла подачи первого агента, а позицией 31 обозначаются сопла подачи второго агента.

Массивный блок 32, который содержит эти сопла 30 и 31, состоит из двух частей ЗЗ и 34, причем одна часть 34 устанавливается над другой частью 33, см, фигуру 6.

Фигура 7 представляет частичный вид снизу верхней части 34, а фигура 8 представляет частичный вид сверху нижней части 33, Верхний блок содержит приливы 35 или кОнтакты, KoTopble Охватыва, От Hd Одном участке их длины сОпля подачи перБОГО агента.

Когда верхняя часть 34 устанавливается на нижней части 33, свободные между приливами 35 зоны 36 ограничивают сеть питания сопел 31 подачи вторОГО аГента.

Наложение двух частеЙ 34 и ЗЗ осущес— вляется таким образом, что участок длины сопел подачи первого агента, который расположен в верхней части 34, находится напротив участка длины этих же самых сопел, находящихся на нижней части 33.

Способом обеспечения совпадения участков длины сопел подвода первого агента является предусматривание на нижней части 33 элементов 37, в которые проникает только часть приливов 35 с выполнением пространства, достаточногодля циркуляции второго агента, питающего сопла 31 подачи второго агента.

Питание сети питания, ограниченной свободными пространствами 36, может осуществляться камерами, в известных случаях, кольцевыми, таким же способом, как и в случае пример- по фигуре 1.

1828449

Фиг.10 и 12 иллюстрируют пример выполнения горелки, по которому раздельная подача агентов осуществляется от трех разных трубопроводов подвода 38, 39 и 40 и который содержит три части 41 42 и 43, образующие массивный блок 44. Общие части на фигурах 10 и 1 — 3 обозначены одними и теми же цифровыми позициями. Так, например, позиция 6 обозначает форму 7 в виде усеченного конуса, позиция 9 обозначает упор массивного блока 44, а позиция 20 обозначает удерживающий фланец.

Агенты, поступающие через трубопроводы подвода 38, 39 и 40 соответственно обозначаются словами первый агент, второй агент и третий агент.

Фиг.9 представляет вид сверху горелки по фигуре 10, которая, сама по себе, является видом в разрезе по линии ВВ на фигуре 9.

Фиг,11 — вид снизу верхней части 43, а фиг,12 — промежуточной части 43.

Позиции 45, 46 и 47 соответственно обозначают сопла подачи первого, второго и третьего агента.

Верхняя часть 43 содержит сопла 47 подачи третьего агента, а также проходы 48 питания этих сопел 47 от камеры 49, С учетом формы проходов 48, показанных на фигуре 11, камера 49 должна питать все проходы; это может достигаться с помощью кольцевой формы этой камеры 49.

Согласно другому варианту верхняя часть 43 может иметь заплечик на своей нижней стороне, в которую входит трубопровод подвода 40 и которая ограничивает, вместе с частью верхней стороны промежуточной части и с гнездом 2, кольцевую камеРу

Верхняя часть 43 содержит участки 46а сопел 46 подачи второго агента. Другая часть 46в этих сопел размещается на промежуточной части 42, Сопла 46 питаются проходами 50. находящимися на нижнем участке промежуточной части 42, см. фигуру 12. Эти проходы образуют сеть питания сопел 46 от трубопровода подвода 39 второго агента, На фигуре 12 видно, что проходы 50 сходятся в центральной части 51 промежуточного блока 42.

Таким образом, камера питания 52 в известных случаях может быть уменьшена, Сопла 45 подачи первого агента насквозь пересекают массивный бок 44. Участки 45а, 45в и 45с сопел проходят через верхнюю промежуточную и нижнюю части с выходом в камеру 7.

Разумеется, части 41, 42 и 43 помещаются и правильно устанавливаются при сборке с тем. чтобы сопла 45, 46 правильно питались агентом.

На фиг.13 показан способ выполнения, соответствующий способу выполнения по фигуре 10, но содержащий только одну часть

53,. образующую массивный блок 44. Этот блок содержит просверленные сопла 55 подачи третьего агента, которые пересекают радиальные просверленные проходы 56, питающие эти просверленные сопла 55.

Радиальные просверленные проходы выходят в канавку 57, которая соотносится с трубопроводом подвода 40 третьего агента.

Сопла 56 подачи второго агента выполняются посредством осевых просверливаний, которые выходят в радиальные просверленные проходы 59, образующие каналы питания сопел 58, которые они пересекают.

Радиальные просверленные проходы 59 сообщаются между собой либо выходят в центральную часть 60, либо посредством канавки 61, которая сообщается с трубопроводом подвода 39 второго агента.

Очевидно, что просверленные проходы

56 могут также быть сходящимися и могут сообщаться между собой в центральной части массивного блока, То же самое относится к проходам 48 по фигуре 10.

Наконец, массивный блок 44, показанный на фигуре 13, содержит просверленные сопла 62, которые проходят через него насквозь и служат для подачи первого агента.

В способах выполнения, показанных на фигурах 10 — 13, массивный блок имеет цилиндрическую форму, а сопла подачи обычно размещаются на радиальных полуосях, смещенных одни относительно других с тем, чтобы исключить взаимные соединения сопел, служащих для подачи агентов, которые не должны смешиваться перед выходом в реакционную зону 10, Очевидно, что не будет считаться выходом за рамки настоящего изобретения выполнение различных распределительных групп сопел подачи при условии. что узлы подачи агентов не сообщаются между собой. Это может достигаться путем соответствующей разбивки проходов питания сопел подачи, причем такая разбивка может легко осуществляться тогда, когрч массивный блок состоит из нескольких частей, На фиг,14 показан простой способ выполнения устройства согласно изобретению, 1828449

Горелка содержит две части, каковыми являются гнездо 63 и массивный блок 64, имеющий фланец 65, который опирается на верхний край 66 гнезда 63, Кроме того, гнездо 63 содержит упор 67. 5

Глубина, на которой выполняется упор по отношению к верхнему краю 66 гнезда 63, является такой, что она точно соответствует высоте, отделяющей нижнюю сторону 68 массивного блока от нижней стороны 69 10 фланца 65 этого же самого массивного блока с установкой прокладок 70 и 71, размещаемых в контактных зонах.

Массивный блок 63 содержит второй упор 72, размещенный на уровне, превыша- 15 ющем предыдущий уровень, с образованием кольцевой камеры73, питающейся через отверстие 75 от трубопровода 74 подвода второго агента.

Массивный блок 64 содержит просвер- 20 ленные проходы 76, которые могут быть радиальными и которые сообщаются с камерой Ш73 и с просверленными соплами

77, которые, сами по себе, могут быть осевыми, причем эти сопла 77 служат для под- 25 ачи второго агента, Массивный блок 64 содержит осевые просверленные сопла 78, которые служат для подачи первого агента, который поступает от камеры 79, размещенной под мас- 30 сивным блоком 64.

Эта горелка особенно проста для выполнения, Были проведены испытания горелки, соответствующей горелке по фигуре 14 и вы- 35 полненной из жаростойкой стали, и дали хорошие результаты, а содержание сажи уменьшилось в 10 раз по сравнению с горелкой, содержащей трубы и работающей в тех же самых условиях, 40

Формула изобретения

1. Горелка реактора для производства синтез-газа, содержащая сопловую головку 45 с раздельными каналами подачи в реактор по меньшей мере двух агентов; топлива и окислителя, причем каждый из упомянутых каналов сообщен передним отверстием с реактором, а задним — с узлом подачи соответствующего агента, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения теплонепроницаемости горелки и улучшения технологии изготовления, сопловая головка выполнена в виде массивного блока, а каналы подачи топлива и окислителя — в виде групп сопел, проникающих на разную глубину этого блока.

2, Горелка по п,1, отличающаяся тем, что Ilo меньшей мере один из узлов подачи агента вblполнен в виде поперечного прохода в блоке, сообщенного с задними отверстиями соответствующей группы сопел, расположенными в блоке на одинаковой глубине, 3, Горелка по пп.1 и 2, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что задние отверстия одной из групп сопел расположенъ на тыльном срезе блока, а узел подачи агента в эту группу сопел выполнен в виде камеры, ограниченной с одной из сторон этим срезом блока.

4. Горелка по пп,1 — 3, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что один из узлов подачи агента выполнен в виде системы проходов в блоке, соединенных с соответствующими группами сопел.

5. Горелка по п,4, отличающаяся тем, что проходы системы соединены между собой в центральной части блока.

6, Горелка по пп.1 — 5, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что блок сопловой головки выполнен в виде наложенных друг на друга частей.

7. Горелка по п.6, отличающаяся тем, что в одной из частей блока выполнены канавки, образующие упомянутые проходы, сообщенные с соответствующими группами сопел.

8. Горелка по п,1 — 7, отл и ч а ю щ а я с я тем, что блок сопловой головки выполнен из керамического или огнеупорного материала.

1828449

1828449

4 3 4/ +б

Pga g

1828449

$uz /1 ф g фЯ 7 TЯ

% % У " ;У

"" О 0

°

1828449 62 55 г/

/г г r

/ °

/ r г

/ / r г г г г г

/ г

// r // г

r, г /

//г/ l/r г /

-; г г

l г

/

/ г г

/г г

r г/, /

/ г г

/ г.

/

57

/

/

- /- /- /,с

/ . а г / / /

/ гг/,, гг г, / ///rrrr/ / г/ „/ // г г

/ г . -/ - г/--,/-/-

r г, 59 БО

Составитель О, Староверова

Техред M,Mîðãåíòàë Корректор M. Г1етрова

Редактор А, Хорина

Заказ 2327 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4!5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 г г г г /rr г / г

;, .;

/ / г г//" ° г/ / г/

Г l /

/ . г — л г г

l "r

/ °

Х AL ii

r l

/ г г

// /

r /

l l

/ г

/ г г г г

//

r . г

/г г г г

rr ã г / гг

r//-

/ тф // //ò/- / c. c cr

/г ///rrl r/rr lr °

/ / г

/г /

//; / ./г г, r

/ г